[发明专利]融合轨道机动数据的小天体接近高精度光学导航方法

说明书

本发明公开的融合轨道机动数据的小天体接近高精度光学导航方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：建立无轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型，在小天体接近过程开始后，先利用无轨道机动的小天体接近光学导航系统模型进行光学导航；建立轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型，在接近过程持续T时间后，施加轨道机动，利用轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型进行光学导航；轨道机动施加完毕后，继续采用组成的无轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型进行光学导航，直至小天体接近过程结束，即实现小天体接近高精度光学导航，加快探测器状态误差收敛速度，满足小天体逼近探测的高精度要求。

技术领域

本发明涉及一种融合轨道机动数据的小天体接近高精度光学导航方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

小天体接近段是小天体探测的关键阶段，探测器在此阶段的导航性能决定了探测器能否安全精确地到达目标小天体。光学导航是目前接近段常用的导航方法，探测器通过星载相机获得小天体图像，进而确定小天体相对探测器的视线方向，以视线方向为观测量，结合探测器相对小行星的动力学方程，估计探测器相对小行星的位置与速度。然而在接近小天体的过程中，探测器相对小天体的运动轨迹近似为直线，这种几何构型使得光学相对导航的性能退化，精度降低。本专利旨在发明一种可以改善探测器相对小天体轨道几何构型、提高导航误差收敛速度与导航精度的小天体接近高精度光学导航方法，为未来小天体探测工程提供技术参考。

发明内容

本发明公开的融合轨道机动数据的小天体接近高精度光学导航方法要解决的技术问题为：在探测器接近小天体的过程中，通过主动施加轨道机动，改变探测器相对小天体的轨道几何构型，利用轨道机动之前与轨道机动之后的光学观测数据，以及已知的轨道机动速度增量信息，实现探测器相对于小天体的高精度导航。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的融合轨道机动数据的小天体接近高精度光学导航方法，建立无轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型，在小天体接近过程开始后，先利用无轨道机动的小天体接近光学导航系统模型进行光学导航。建立轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型，在接近过程持续T时间后，施加轨道机动，利用轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型进行光学导航。轨道机动施加完毕后，继续采用组成的无轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型进行光学导航，直至小天体接近过程结束，即实现小天体接近高精度光学导航，加快探测器状态误差收敛速度，满足小天体逼近探测的高精度要求。

本发明公开的融合轨道机动数据的小天体接近高精度光学导航方法，包括如下步骤：

步骤1：建立无轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型，在小天体接近过程开始后，先利用无轨道机动的小天体接近光学导航系统模型进行光学导航。

小天体接近光学导航系统模型包含探测器的状态模型与光学观测模型。在小天体接近过程中，探测器的轨道动力学为太阳系下的二体动力学，探测器的状态方程如式(1)所示。

式中，r为探测器的位置矢量，v为探测器的速度矢量，μ为太阳的万有引力常数。

在小天体接近过程中，光学导航的有效观测量为小天体的视线方向，观测模型如式(2)所示。

式中，r_a为小天体在太阳系下的位置矢量，通过小天体星历获得，为已知量；υ为观测误差矢量。

无轨道机动时的小天体接近光学导航系统模型由式(1)、(2)组成。在小天体接近过程开始后，先利用式(1)、(2)进行导航滤波，估计探测器的位置矢量r与速度矢量v。由于探测器的状态模型与光学观测模型均为非线性模型，因此选用非线性滤波算法估计探测器的位置矢量r与速度矢量v。

作为优选，步骤1中所述非线性滤波算法包括扩展卡尔曼滤波(EKF)算法或无迹卡尔曼滤波(UKF)算法。